Vehicle Communications is a promising research field, with a great potential for
the development of new applications capable of improving road safety, traffic efficiency,
as well as passenger comfort and infotainment. Vehicle communication
technologies can be short-range, such as ETSI ITS-G5 or the 5G PC5 sidelink
channel, or long-range, using the cellular network (LTE or 5G). However, none of
the technologies alone can support the expected variety of applications for a large
number of vehicles, nor all the temporal and spatial requirements of connected
and autonomous vehicles. Thus, it is proposed the collaborative or hybrid use of
short-range communications, with lower latency, and of long-range technologies,
potentially with higher latency, but integrating aggregated data of wider geographic
scope.
In this context, this work presents a hybrid vehicle communications model, capable
of providing connectivity through two Radio Access Technologies (RAT), namely,
ETSI ITS-G5 and LTE, to increase the probability of message delivery and, consequently,
achieving a more robust, efficient and secure vehicle communication
system. The implementation of short-range communication channels is done using
Raw Packet Sockets, while the cellular connection is established using the Advanced
Messaging Queuing Protocol (AMQP) protocol.
The main contribution of this dissertation focuses on the design, implementation
and evaluation of a Hybrid Routing Sublayer, capable of isolating messages that
are formed/decoded from transmission/reception processes. This layer is, therefore,
capable of managing traffic coming/destined to the application layer of intelligent
transport systems (ITS), adapting and passing ITS messages between the highest
layers of the protocol stack and the available radio access technologies.
The Hybrid Routing Sublayer also reduces the financial costs due to the use of
cellular communications and increases the efficiency of the use of the available
electromagnetic spectrum, by introducing a cellular link controller using a Beacon
Detector, which takes informed decisions related to the need to connect to a cellular
network, according to different scenarios.
The experimental results prove that hybrid vehicular communications meet the requirements
of cooperative intelligent transport systems, by taking advantage of
the benefits of both communication technologies. When evaluated independently,
the ITS-G5 technology has obvious advantages in terms of latency over the LTE
technology, while the LTE technology performs better than ITS-G5, in terms of
throughput and reliability.As Comunicações Veiculares são um campo de pesquisa promissor, com um grande
potencial de desenvolvimento de novas aplicações capazes de melhorar a segurança
nas estradas, a eficiência do tráfego, bem com o conforto e entretenimento dos
passageiros. As tecnologias de comunicação veícular podem ser de curto alcance,
como por exemplo ETSI ITS-G5 ou o canal PC5 do 5G, ou de longo alcance, recorrendo
à rede celular (LTE ou 5G). No entanto, nenhuma das tecnologias por
si só, consegue suportar a variedade expectável de aplicações para um número de
veículos elevado nem tampouco todos os requisitos temporais e espaciais dos veículos
conectados e autónomos. Assim, é proposto o uso colaborativo ou híbrido de
comunicações de curto alcance, com latências menores, e de tecnologias de longo
alcance, potencialmente com maiores latências, mas integrando dados agregados
de maior abrangência geográfica.
Neste contexto, este trabalho apresenta um modelo de comunicações veiculares
híbrido, capaz de fornecer conectividade por meio de duas Tecnologias de Acesso
por Rádio (RAT), a saber, ETSI ITS-G5 e LTE, para aumentar a probabilidade de
entrega de mensagens e, consequentemente, alcançar um sistema de comunicação
veicular mais robusto, eficiente e seguro. A implementação de canais de comunicação
de curto alcance é feita usando Raw Packet Sockets, enquanto que a ligação
celular é estabelecida usando o protocolo Advanced Messaging Queuing Protocol
(AMQP).
A contribuição principal desta dissertação foca-se no projeto, implementação e avaliação
de uma sub camada hibrída de encaminhamento, capaz de isolar mensagens
que se formam/descodificam a partir de processos de transmissão/receção. Esta
camadada é, portanto, capaz de gerir o tráfego proveniente/destinado à camada
de aplicação de sistemas inteligentes de transportes (ITS) adaptando e passando
mensagens ITS entre as camadas mais altas da pilha protocolar e as tecnologias
de acesso rádio disponíveis.
A sub camada hibrída de encaminhamento também potencia uma redução dos custos
financeiros devidos ao uso de comunicações celulares e aumenta a eficiência do
uso do espectro electromagnético disponível, ao introduzir um múdulo controlador
da ligação celular, utilizando um Beacon Detector, que toma decisões informadas
relacionadas com a necessidade de uma conexão a uma rede celular, de acordo com
diferentes cenários.
Os resultados experimentais comprovam que as comunicações veículares híbridas
cumprem os requisitos dos sistemas cooperativos de transporte inteligentes, ao
tirarem partido das vantagens de ambas tecnologias de comunicação. Quando
avaliadas de forma independente, constata-se que que a tecnologia ITS-G5 tem
vantagens evidentes em termos de latência sobre a tecnologia LTE, enquanto que
a tecnologia LTE tem melhor desempenho que a LTE, ai nível de débito e fiabilidade.Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe